Vorqualifizierte FPGA-Lösungen

Wie lässt sich die funktionale Sicherheit erhöhen?

07.05.2010 | Autor / Redakteur: Stefano Zammattio* / Holger Heller

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Vorqualifizierte FPGAs von Altera: Sicherheit in der Industrie

In der Industrie müssen Automatisierungskomponenten immer preiswerter, aber auch leistungsfähiger werden. Neue Standards und internationale Gesetzgebung wie die EU-Maschinenrichtlinie definieren aber Geräteeigenschaften, die zu mehr Komplexität und Leistungshunger führen. Vorqualifizierte FPGA-Lösungen zur Realisierung der funktionalen Sicherheit bieten einen Ausweg aus diesem Dilemma.

Im Zuge der Anstrengungen zur Produktivitätssteigerung von Maschinen bei gleichzeitiger Kostenreduktion befinden sich die Hersteller von Automatisierungskomponenten heute in einem Spannungsfeld zwischen kommerziellen Markterfordernissen, steigenden Leistungserwartungen, Gesetzgebung und technischer Realisierbarkeit.

In der Vergangenheit konnten man sich den Luxus leisten, für eine (relativ langsame) Feldbus-Kommunikation unterschiedliche proprietäre und teure ASICs einzusetzen. Jeder Applikationsteil erhielt eine eigene MCU und spezifische Geräteschnittstellen wurden diskret abgebildet. Dies führte nicht selten dazu, dass eine Automatisierungskomponente aus einer Vielzahl von Prozessor-Sockets bestand, was kostspielig ist und dafür sorgt, dass nach einigen Jahren Lebensdauer die ersten Komponenten abgekündigt werden und damit ein Redesign des Gerätes ansteht.

Im Gegensatz hierzu verlangt der Markt heute eine schnelle Kommunikation via Industrial Ethernet, die in der Regel um den Faktor 10 niedrigere Zykluszeiten mit sich bringt, womit auch die Leistungsanforderungen an die Anwendung steigen. Aufwändige geräteinterne Systemschnittstellen zwischen Prozessoren sind hier nicht nur aus Kostensicht, sondern vor allem aus Performancegründen kontraproduktiv.

Schnittstellen und Prozessor in einem FPGA integriert

Bereits seit einiger Zeit ist die Integration von Feldbus- bzw. Industrial-Ethernet-Kommunikationsschnittstellen und Applikationsprozessoren in einem FPGA bewährte Praxis und kommt in der Breite zur Anwendung. Durch die Verfügbarkeit der Feldbusstandards als FPGA-IP werden nicht nur kostspielige ASICs ersetzt, sondern auch die Variantenvielfalt der Geräte reduziert.

Andere anwendungsspezifische Aspekte wie z.B. die schnelle Parameterübergabe zwischen Kommunikationsinterface und Anwendungs-Controller sowie das Einbringen von Sensorschnittstellen oder Hardwarebeschleunigung durch Parallelverarbeitung von rechenintensiven Anwendungsteilen in Logik konnten ebenfalls leicht in einem einzigen FPGA umgesetzt werden.